专利名称：高精度低漂移集成电压基准源电路的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种模拟集成基准电压源电路。
背景技术：
基准电压源(voltage references)是指被用作电压参考的高精确、高稳定度的电压源，理想的基准电压是一个与电源、温度、负载变化无关的量。基准电压源是现代模拟电路极为重要的组成部分，它对高新模拟电子技术的应用与发展具有重要作用。在许多模拟电路中，如数模转换器(DAC)、模数转换器(ADC)、线性稳压器和开关稳压器中都需要高精度、高稳定度的电压基准源。特别是在精密测量仪器仪表和现代数字通信系统中，经常把集成电压基准源作为系统测量和校准的基准。
世界半导体业的持续稳定增长将带动全球电子信息产品市场的进一步发展，通信、消费类便携式电子产品及汽车电子领域将成为先导，国外许多模拟集成电路制造厂商，如美国模拟器件公司(ADI)、德州仪器(TI)等公司相继推出许多种类的高精度集成电压基准产品。国内市场上的产品绝大多数为上述公司的产品，国内企业只是把基准电压源集成在其他集成电路芯片中，而不是把它作为单纯的一个通用产品来推向市场，这就大大的限制了基准电压源的使用范围。随着MCM(multi-chip module)技术的飞速发展和广泛应用，研究单芯片集成电压基准源对我国国防工业和通信、消费类便携式电子产品及汽车电子市场的发展有着十分重大的意义。
从工作原理角度来看，设计集成基准电压源最关键的问题是高精度和低温度系数。为了实现高精度，通常是利用硅半导体材料本身固有的特征电压作为基准电压，20世纪70年代初，Widlar首先提出带隙基准电压源的概念和基本设计思想，带隙基准电压源由于在电源电压、功耗、稳定性等方面的优点，而得到了广泛的应用。为了获得低的温度系数，很多研究者在这方面进行了大量的研究，例如Timothy利用“ΔVBE梯子”(ΔVBE ladder)技术对所设计的能隙基准进行高阶温度补偿，从而将能隙基准的温度系数降至5ppm/℃以下。但报道的这些研究结论基本上是基于CMOS工艺的仿真的结果。常规CMOS工艺中MOSFET的D-S之间的最高耐压一般在18V左右，电流驱动能力不强，而双极型晶体管的C-E之间最高耐压可以达到36V，甚至高到80V。并且，双极型晶体管本身就是电流驱动型器件，更适用于处理大电流的电路。
发明内容
本实用新型要解决的技术问题是提供一种高精度低漂移集成电压基准源电路，该电路具有精度高、电源范围宽、驱动能力强、电源电压调整率低、温度系数小和保护功能完善，以克服现有技术存在的不足。
本实用新型的技术方案如下PTAT电流产生电路与电压提升电路、电流反馈电路连接，电压提升电路与电流反馈电路、过热保护电路、大电流驱动及过流保护电路连接，电流反馈电路与过热保护电路连接，过热保护电路与大电流驱动及过流保护电路连接，大电流驱动及过流保护电路与电源电压分配电路、输出驱动和反接保护电路连接。
所述的PTAT电流产生电路由电阻R0、R2、R3和NPN管Q1、Q2组成。
所述的电压提升电路包括电阻R1和NPN管Q9、Q10、Q11管组成的二极管结构。
所述的电流反馈电路由三个部分组成，即由PNP管Q3、Q4、Q5组成威尔逊电流源；由电阻R4、R5和NPN管Q6、Q7、Q8组成电流比较电路；由电阻R6、R7和NPN管Q12、Q13组成误差电路发放大电路。
所述的过热保护电路由电阻R8、R9、R10、R11，NPN管Q14、Q16、Q18和PNP管Q15、Q17组成。
所述的大电流驱动及过流保护电路由电阻R15，R19R12、R14、R16，和NPN管Q19、Q22，PNP管Q23、Q24、Q25、Q26组成。
所述的电源电压分配电路由电阻R17、R18，PNP管Q20和齐纳二极管D1组成。
所述的输出驱动和反接保护电路由电阻R13、D2和NPN管Q21组成。
本实用新型的工作原理分析如下 Q1、Q2、R0组成微电流源，产生PTAT电流。因为R3＝3R2，流过R1的电流为4IPTAT。Q3、Q4、Q5组成威尔逊电流源，即可使两路电流精确匹配，又可提高其电流的温度稳定性。当电路上电时，电流源向Q9组成的二极管注入电流，使得Q11管的基极有电流，从而使Q10以及Q1、Q2工作；当电路进入稳态后Q9组成的二极管截止，实现了电路的启动隔离。稳压二极管D1，三极管Q20、Q22和电阻R17、R18、R19组成一个电源电压分配电路。稳压二极管D1的击穿电压为5.8V，当V0值低于5.8V时，R17和D1组成的支路断开，R17上没有压降，PNP管Q20截止，使得A点电压为电源电压，再经过一级射极跟随器从Q22的发射极(B点)提供电压给基准电路。当V0值高于5.8V时，R17和D1组成的支路有电流通过，R17上的压降足以使Q20管导通，A点电位被钳制在5.8V+0.5815V，从而使B点电位被钳制在5.8V+0.5815V-0.7672V。这样可将基准电路4.5V～40V的宽电源电压范围缩小到4.5V～5.6143V这个很小的范围内，降低了电源电压变化对输出基准值的影响，提高了输出基准电压的直流电源抑制特性。
基准电压从Q21管的发射极输出，Q21管的基极(C点)电位在3.2V左右，这一值是由微电流源、电阻R1和三极管Q10、Q11组成的电路决定的。电阻R15的引入，使得在B点电位变化时C点电位能够保持恒定。
Q6、Q7、R4组成一个误差放大器，当Vref升高时，Q21的基极电位升高，Q11和Q10管的基极电位也跟着升高，流过Q10管的电流增大，增大的电流通过电阻R1和R3使流入Q7管基极的电流增大(因为Q2的集电极电流是由微电流源确定的)，使电流镜的电流增大。因为Q8的基极电位基本恒定，所以电流增大的部分基本上全部流入Q12和Q13组成的达林顿管，达林顿管将误差电流放大，分走流过Q10管的一部分电流，从而使输出电压下降。
同理，当输出电压下降时，通过Q6、Q7、R4组成的误差放大器和Q12、Q13组成的达林顿管，使得输出电压升高，达到稳定输出电压的目的。
电阻R8、R9、R10、R11和Q14、Q15、Q16、Q17、Q18管组成过热保护电路，实现对输出管Q21的过热保护，如图1-2所示。图中的VC端接到Q21管的基极。本电路中的温度保护点设在130℃。当芯片温度低于130℃时，电阻R8上的压降不足以使Q16管和Q17管开启，没有电流流过电阻R10和R11，Q18管截止；当芯片温度高于130℃时，由于PN结的开启电压具有负温度系数，这时Q14和Q15管组成的两个二极管开启电压下降，使得电阻R8上的压降升高，达到Q16管和Q17管的开启电压，Q16、Q17、R10和R11组成的支路有电流流过，电阻R10和R11分压使Q18管导通，将输出管Q21的基极电流分走，减小了流过Q21管的电流，从而降低结温，达到过热保护的目的。电阻R15将过热保护电路部分的电源电压稳定在3.2V左右，所以芯片电压V0的变化对过热保护电路的影响不大，保证了该部分电路在基准源芯片的整个工作电源范围(4.5V～40V)内能够正常工作。
电阻R16为过流保护取样电阻，当Q22管的集电极电流达到过流保护点130mA时，电阻R16上的压降使Q23、Q24、Q25、Q26管导通，向电阻R12和R14注入电流，使电阻R12两端的电压足以使Q19管导通，分走Q22管的基极电流，从而降低其集电极电流，达到过流保护的目的。
另外在使用过程中如果不慎将电源端和地接反，D2将开通，防止电路内部的器件击穿损坏。
在以上技术方案中，各模块电路作用如下 PTAT电流产生电路，用于产生PTAT电流； 电压提升电路，用于提升PTAT电压，实现了电路的启动隔离； 电流反馈电路，用于稳定输出电压，提高其电流的温度稳定性； 过热保护电路，用于输出管的过热保护； 大电流驱动及过流保护电路，用于调整大负载电流时输出管的输出电压；用于大电流驱动电路中晶体管的过流保护； 电源电压分配电路，用于提高输出基准电压的直流电源抑制特性； 输出驱动和反接保护电路，用于加强输出基准的驱动能力和电路反接保护。
本实用新型与现有技术相比，具有以下优点 精度高、电源范围宽(4.5～40V)、驱动能力强(100μA～100mA)、电源电压调整率低、温度系数小(10ppm/℃)和保护功能完善(具有过热保护、过流保护和反接保护)。
图1为本实用新型的结构框图，即采用模块形式的结构示意图； 图2为本实用新型的电器元件连接示意图。
具体实施方式
本实用新型的实施例本实用新型的电路为PTAT电流产生电路1与电压提升电路2、电流反馈电路3连接，电压提升电路2与电流反馈电路3、过热保护电路4、大电流驱动及过流保护电路5连接，电流反馈电路3与过热保护电路4连接，过热保护电路4与大电流驱动及过流保护电路5连接，大电流驱动及过流保护电路5与电源电压分配电路6、输出驱动和反接保护电路7连接。
以上电路中，各模块电路的组成及作用简介如下 PTAT电流产生电路1，由电阻R0、R2、R3和NPN管Q1、Q2组成。R3的阻值是R2的三倍，他们两端的电压相等，所以流过R2的电流是流过R3的三倍，从而导致流过Q2管的电流是流过Q1管的三倍，这两个管子的B-E结开启电压有ΔVBE＝VTln3的偏差，这个电压偏差降在电阻R0上，产生了微电流(PTAT电流)(VTln3)/R0。
电压提升电路2，电阻R1和NPN管Q9、Q10、Q11管组成的二极管结构构成。4倍PTAT电流流过电阻R1使PTAT电压得到提升，再加上两个B-E结电压，保证了输出管Q21有足够高的电位(约3.2V)。
当电路上电时，模块四中的电流源向该二极管注入电流，从而使模块二中Q10和Q11管有电流注入，Q10管的发射极电流使模块一启动，电路进入工作状态。当电路进入平衡状态后，Q9管连接成的二极管断开，达到启动隔离的目的。
电流反馈电路3，该模块由三个部分组成PNP管Q3、Q4、Q5组成一个威尔逊电流源，即可使两路电流精确匹配，又提高了电流的温度稳定性；电阻R4、R5和NPN管Q6、Q7、Q8组成了一个电流比较电路；电阻R6、R7和NPN管Q12、Q13组成了误差电路发放大电路。这三个部分组合起来实现了误差放大和电流反馈功能，保证了输出电压稳定在2.5V。
过热保护电路4，由电阻R8、R9、R10、R11，NPN管Q14、Q16、Q18和PNP管Q15、Q17组成。流过输出管的电流较大，其功耗也较大。为了保证输出管不因温度过高而损坏，需对其进行过热保护。当芯片温度达到一定值(130℃)时，电阻上的压降足以使Q16管和Q17管导通，有电流流过电阻R11，R11上的压降使Q18管开启，分走输出管Q21的基极电流，使流过Q21管的电流降低，发热量也跟着下降，从而起到过热保护的作用。
大电流驱动及过流保护电路5，由电阻R15，R19 R12、R14、R16，和NPN管Q19、Q22，PNP管Q23、Q24、Q25、Q26组成。若直接将电源电压分配电路6中Q20管的发射极输出给其他模块供电，在基准输出端负载电流较大时将会引起很大的电压偏差，使基准电路功能变得很差。所以需要外加一级电路，保证在基准输出端负载电流较大时基准电压保持稳定。
当流过Q22管的电流超过额定值时，由电阻R12、R14、R16，NPN管Q19和PNP管Q23、Q24、Q25、Q26组成的保护电路将对Q22管的过流进行保护。流过晶体管的电流过大会因过热而导致晶体管发生不可恢复的损坏。当流过Q22管的电流过大时，电阻R16上的压降使PNP管Q23、Q24、Q25、Q26开启，这时有电流流过电阻R12和R14，电阻R12上的压降使NPN管Q19开启，分走Q22管的基极电流，降低了流过它的电流，达到过流保护的作用。
电源电压分配电路6，由电阻R17、R18，PNP管Q20和齐纳二极管D1组成。由于芯片的电源范围较宽(4.5V～40V)，如果直接用外接电源对电路中各模块供电，不能很好的控制各模块功能的稳定，输出基准电压的电压调整率也较高。当电源电压低于7V时，齐纳二极管D1截止，没有电流流过电阻R17，PNP管Q20也截止，Q20管的发射极电压即为电源电压；当电源电压高于7V时，齐纳二极管D1击穿，其两端电压稳定在5.8V，这时电阻R17上的压降使Q20管导通，起发射极电压为5.8V+0.6V＝6.4V，在7V～40V的电源范围内，该点的电压都基本稳定在6.4V。
输出驱动和反接保护电路7，由电阻R13、D2和NPN管Q21组成，R15的作用是吸收Q22输出电压的变化，保证输出Q21管基极电压的稳定。基准输出端从Q21管的发射极输出，保证了输出基准具有较强的驱动能力。
另外在使用过程中如果不慎将电源端和地接反，D2将开通，防止电路内部的器件击穿损坏。
权利要求1.一种高精度低漂移集成电压基准源电路，其特征在于PTAT电流产生电路(1)与电压提升电路(2)、电流反馈电路(3)连接，电压提升电路(2)与电流反馈电路(3)、过热保护电路(4)、大电流驱动及过流保护电路(5)连接，电流反馈电路(3)与过热保护电路(4)连接，过热保护电路(4)与大电流驱动及过流保护电路(5)连接，大电流驱动及过流保护电路(5)与电源电压分配电路(6)、输出驱动和反接保护电路(7)连接。
2.根据权利要求1所述的高精度低漂移集成电压基准源电路，其特征在于所述的PTAT电流产生电路(1)由电阻R0、R2、R3和NPN管Q1、Q2组成。
3.根据权利要求1所述的高精度低漂移集成电压基准源电路，其特征在于所述的电压提升电路(2)包括电阻R1和NPN管Q9、Q10、Q11管组成的二极管结构。
4.根据权利要求1所述的高精度低漂移集成电压基准源电路，其特征在于所述的电流反馈电路(3)由三个部分组成，即由PNP管Q3、Q4、Q5组成威尔逊电流源；由电阻R4、R5和NPN管Q6、Q7、Q8组成电流比较电路；由电阻R6、R7和NPN管Q12、Q13组成误差电路发放大电路。
5.根据权利要求1所述的高精度低漂移集成电压基准源电路，其特征在于所述的过热保护电路(4)由电阻R8、R9、R10、R11，NPN管Q14、Q16、Q18和PNP管Q15、Q17组成。
6.根据权利要求1所述的高精度低漂移集成电压基准源电路，其特征在于所述的大电流驱动及过流保护电路(5)由电阻R15，R19R12、R14、R16，和NPN管Q19、Q22，PNP管Q23、Q24、Q25、Q26组成。
7.根据权利要求1所述的高精度低漂移集成电压基准源电路，其特征在于所述的电源电压分配电路(6)由电阻R17、R18，PNP管Q20和齐纳二极管D1组成。
8.根据权利要求1所述的高精度低漂移集成电压基准源电路，其特征在于所述的输出驱动和反接保护电路(7)由电阻R13、D2和NPN管Q21组成。
专利摘要本实用新型公开了一种高精度低漂移集成电压基准源电路，PTAT电流产生电路(1)与电压提升电路(2)、电流反馈电路(3)连接，电压提升电路(2)与电流反馈电路(3)、过热保护电路(4)、大电流驱动及过流保护电路(5)连接，电流反馈电路(3)与过热保护电路(4)连接，过热保护电路(4)与大电流驱动及过流保护电路(5)连接，大电流驱动及过流保护电路(5)与电源电压分配电路(6)、输出驱动和反接保护电路(7)连接。本实用新型精度高、电源范围宽(4.5～40V)、驱动能力强(100μA～100mA)、电源电压调整率低、温度系数小(10ppm/℃)和保护功能完善，即具有过热保护、过流保护和反接保护。
文档编号G05F3/30GK201548864SQ20092031515
公开日2010年8月11日 申请日期2009年11月19日 优先权日2009年11月19日
发明者杨发顺, 马奎, 丁召, 傅兴华, 林洁馨 申请人:贵州大学